玻璃概論玻璃的退火與淬火

會計學1玻璃概論玻璃的退火與淬火2一、玻璃應力的分類:1.以產生原因為標準：2.以作用范圍為標準：熱應力結構應力機械應力宏觀應力：由外力作用或熱作用產生；微觀應力：玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相引起的應力;超微觀應力：玻璃中相當于晶胞大小的體積范圍內存在的應力.第1頁/共25頁3二、熱應力

當玻璃溫度低與應變點(=1013.6Pa.S)時處于彈性變形溫度范圍內(>1014Pa.S)即脆性狀態(tài)時，經受不均勻的溫度變化時產生的熱應力。特點：隨溫度梯度的產生而產生，隨溫度梯度的消失而消失。

在溫度低于應變點時,玻璃內結構集團已不能產生粘滯性流動,主要靠彈性松弛來消除應力。熱應力:玻璃中由于溫度差而產生的應力。按其存在的特點又可分成暫時應力和永久應力。1.暫時應力的產生過程:(一)暫時應力:第2頁/共25頁4*此示意圖可以說明什么?溫度(Temperature)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0位置(Position)剖面實際溫度示意線暫時應力示意線應力(Strain)0Tt外界溫度(1)

玻璃處于某一個低與應變點的均勻溫度分布狀態(tài):說明：均勻溫度場下的玻璃平板中不存在溫度梯度，也不存在暫時應力。第3頁/共25頁50溫度(Temperature)應變點溫度(=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應力(Strain)位置(Position)TsT0Tt剖面實際溫度示意線暫時應力示意線(2)玻璃在一個低溫的環(huán)境中開始冷卻:*此示意圖可以說明什么?說明：玻璃平板表面降溫比內層快，收縮就比內層大，受內層阻礙而呈張應力同時內層受到反作用力而呈壓應力。第4頁/共25頁6剖面實際溫度示意線溫度(Temperature)應變點溫度(=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應力(Strain)位置(Position)TsT0Tt0暫時應力示意線(3)外層逐漸達到外界溫度的過程:*此示意圖可以說明什么?

說明：表面收縮趨于停止的同時受到繼續(xù)收縮的內層所施的壓應力逐漸抵消原有的張應力。第5頁/共25頁70溫度(Temperature)應變點溫度(=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應力(Strain)位置(Position)TsT0Tt剖面實際溫度示意線暫時應力示意線2.小結:(1)在溫度低于應變點溫度時,溫度梯度的產生導致玻璃彈性松弛而形成暫時應力；（2）溫度急劇的變化產生的暫時應力若超過極限時會使制品破裂；（3）不能通過退火過程來消除暫時應力。*此示意圖可以說明什么?說明：溫度梯度在此時消失，應力同時完全抵消而呈無應力狀態(tài)。(4)內層溫度逐漸達到外界溫度的過程:第6頁/共25頁8溫度(Temperature)剖面實際溫度示意線0位置(Position)外界溫度Tt應力(Strain)

永久應力示意線應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0（二）永久應力：

玻璃在高于其應變點時,溫度梯度會引起玻璃結構變化,這種玻璃結構變化在低于應變點時產生并保持的熱應力。特點:溫度梯度消失之后,永久應力不消失1.永久應力的產生過程(1)處于某一高于應變點的均勻溫度場時*此示意圖說明了什么?說明：均勻溫度場下的玻璃平板中不存在溫度梯度，也不存在永久應力第7頁/共25頁90溫度(Temperature)應力(Strain)位置(Position)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度Tt剖面實際溫度示意線永久應力示意線(2)將玻璃放置于低溫環(huán)境中降溫,直至外層溫度到達應變點:*此示意圖說明了什么?

說明：高于應變點時，表面較快的收縮產生的作用力通過應力松弛消除，平板呈無應力狀態(tài)。第8頁/共25頁100位置(Position)溫度(Temperature)應力(Strain)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度Tt永久應力示意線剖面實際溫度示意線(3)制品繼續(xù)降溫,直至內層溫度達到應變點的過程:*此示意圖可以說明什么?

說明：溫度低于應變點的表面無應力松弛能力，同時降溫較里層快而呈張應力狀態(tài)，里層為張應力；溫度在應變點以上的內層則由于應力松弛作用而保持無應力狀態(tài)。第9頁/共25頁11溫度(Temperature)應力(Strain)位置(Position)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度Tt

永久應力示意線剖面實際溫度示意線0（4）內層溫度從應變點開始下降：*此示意圖可以說明什么?

說明：內層在至應變點以下時受到降溫快、收縮快的外層所施壓力，同時外層受反作用力呈張應力狀態(tài)。第10頁/共25頁120溫度(Temperature)應力(Strain)位置(Position)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度Tt

永久應力示意線剖面實際溫度示意線(5)內外層繼續(xù)冷卻*此示意圖可以說明什么?說明：隨著內層逐漸降溫、收縮，原先的應力逐漸被抵消而減小。第11頁/共25頁130溫度(Temperature)應力(Strain)位置(Position)應變點溫度(=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度Tt

永久應力示意線剖面實際溫度示意線(6)內外層繼續(xù)冷卻直至均達到環(huán)境溫度2.小結:(1)在高于應變點的溫度時,通過應力松弛的作用,溫度梯度產生結構梯度,并在低于應變點時保持下來,形成永久應力.(2)通過緩慢降溫,減小溫度梯度,從而減小永久應力是可能的,這也是退火作用的本質*此示意圖可以說明什么?

說明：到此時為止，內層形成較外層更致密的結構，即收縮較外層大，更趨于緊收，但受外層阻礙故呈張應力，外層則呈相反的壓應力狀態(tài)第12頁/共25頁14三、結構應力和機械應力:(一)結構應力:

玻璃中局部區(qū)域化學組成不均勻導致結構不均勻而產生不同的膨脹系數(shù)，因而產生的應力。如條紋、結石、節(jié)瘤等不均勻體都會產生結構應力。特點：結構應力是由于玻璃固有結構所造成的應力，無法通過退火消除。

（二）機械應力:

當玻璃制品受到外力作用的時候,玻璃中產生的應力。在低溫下外力撤去時，機械應力隨之消失。如果機械應力超過應力極限，會導致制品破裂。四、總結：玻璃在一般情況下,可能會同時受到幾種應力的作用。玻璃中各種應力由各自的產生原因和各自的特點；第13頁/共25頁15二、玻璃的退火一、退火原理

在經過轉變溫度區(qū)域（Tf～Tg）時，玻璃由典型的液態(tài)轉變成脆性狀態(tài)。而在Tg點以下的相當?shù)臏囟确秶鷥炔ＡХ肿尤匀荒軌蜻M行遷移，可以消除玻璃中的熱應力和結構狀態(tài)的不均勻性*。同時因為粘度相當大，以致幾乎不發(fā)生其外形的改變。這段溫度區(qū)域成為玻璃的退火區(qū)域，相應粘度在1012～1016Pa.s

。即退火溫度區(qū)域與玻璃粘度有關。

*應力松弛：由于玻璃在應變點以上時具有粘彈性，它不能長時間承受各方向不平衡力的作用，玻璃內結構基團在力的作用下產生位移和變形，使溫度梯度所產生的內應力得以消失。

玻璃的退火過程：將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時間后再以緩慢的速度冷卻，以便不再產生超過允許范圍的永久應力和暫時應力。實質就是減小或消除應力并防止新的應力產生。第14頁/共25頁16（一）退火溫度范圍與退火溫度

上限退火溫度：三分鐘內消除95%應力的溫度，一般相當于退火點的溫度，也稱最高退火溫度，粘度為1012Pa.s。下限退火溫度：三分鐘內消除5%應力的溫度，也稱最低退火溫度，粘度為1013.6Pa.s。在此溫度以下玻璃完全處于彈性狀態(tài)，該點溫度也可以稱為應變點。

精密退火：對光學玻璃或某些技術玻璃，不但要消除永久應力，而且還要消除由于冷卻過程中玻璃各層熱歷史不同以結構轉化的程度不同而產生光學上的不均勻性。

可以通過

1、η－T曲線上得到η＝1012Pa.s、1013.6Pa.s的溫度確定上限、下限退火溫度。

2、計算（P358）求出玻璃在η＝1012Pa.s時的溫度，即上限退火溫度。在退火溫度范圍內確定某一保溫均熱的溫度，稱之為退火溫度。第15頁/共25頁173、通過熱膨脹曲線確定Tg的溫度值即作為最高退火溫度的大約數(shù)值。4、通過差熱曲線確定上限或下限退火溫度：加熱過程的吸熱峰－－下限退火溫度，放熱峰－－上限退火溫度；降溫過程的放熱峰－－上限退火溫度，吸熱峰－－下限退火溫度Tg△L/L溫度然后選取低于上限退火溫度20～30℃的溫度點作為退火溫度。第16頁/共25頁18退火溫度與組成：能提高粘度（尤其低溫）的組分如CaO、SiO2、Al2O3等提高退火溫度；反之則降低退火溫度（如R2O、PbO、BaO等）。B2O3則因硼反常出現(xiàn)含量在15~20%隨氧化硼含量升高而升高、超過15~20%時隨含量升高而降低的情況。（二）退火工藝1、工藝過程玻璃的退火工藝過程包括四個階段：加熱、保溫、慢冷及快冷。

一次退火：玻璃制品成形后不冷卻直接退火的工藝過程。二次退火：玻璃制品成形后先冷卻后加熱再退火的工藝過程。第17頁/共25頁19加熱保溫慢冷快冷溫度時間上限退火溫度下限退火溫度退火溫度1、加熱階段加熱時玻璃制品表面為壓應力，升溫速度可較快：a－空心或單面受熱的玻璃制品的總厚，cm

實心制品的半厚，cm第18頁/共25頁20光學玻璃2、保溫階段

目的：消除加熱過程產生的溫度梯度，并消除制品中所固有的內應力。先確定保溫溫度，然后確定保溫時間。保溫時間

考慮表面微裂紋、缺陷、厚度均勻性及退火爐溫度分布均勻性，一般工業(yè)中采用第19頁/共25頁213、慢冷階段

為了使制品在冷卻后不再產生永久應力或僅產生微小的永久應力，冷卻速度要求較慢，常采用線性降溫。開始冷卻速度：下降10℃后繼續(xù)冷卻速度：H－每降低100c后下一個100c的降溫速度To－退火溫度T－每降低100c后的溫度慢冷階段結束時溫度必須小于或等于應變點溫度，否則在快冷階段重新產生永久應力而退火無效。第20頁/共25頁224、快冷階段為提高生產效率、降低燃耗，只要使該階段的暫時應力不超過極限強度，可適當加快降溫速度。厚度>5mm厚度<5mm總共退火時間為四個階段用時之和，約為1～1.5小時。（三）制定退火曲線使注意問題1、加熱階段：保證壓應力<壓應力極限。慢冷階段：降溫速度同樣須考慮玻璃的允許應力，結束時溫度要低于或等于應變點溫度?？炖潆A段：暫時應力不可超過抗張極限。第21頁/共25頁235、容易分相的玻璃制品退火時，退火溫度不能過